陳秋來

“結構與功能觀”是生命科學的基本觀點之一。在理解DNA結構的基礎上，能夠解釋DNA結構特點與編碼遺傳信息、復制遺傳信息和傳遞遺傳信息的適應關系，是“生命觀念”的重要內容[1]。建模教學可以使學生體會到真實的科學實踐，使學生在掌握知識的同時了解知識的形成過程，提升學生的科學思維和科學探究能力，是目前中學科學教育改革的一個重要方向。構建模型是科學研究工作的核心內容之一，在教學中進行模型建構，可以幫助學生模擬科學家的思維，了解知識的產生和運作，并在學習科學的過程中構建和發(fā)展自己的模型，從而深入理解知識[2]?，F(xiàn)以“DNA的結構”一課為例，介紹在模仿科學家建模的過程中發(fā)展學生科學思維的具體做法。

一、教材分析及設計思路

“DNA的結構”是人教社2019版高中生物必修2第3章第2節(jié)的內容，學生在學習本節(jié)內容時，普遍感到抽象、復雜、深奧。教學時如果按照教材順序，先介紹DNA雙螺旋結構發(fā)現(xiàn)科學史，然后學習DNA結構主要特點，最后讓學生制作DNA雙螺旋結構模型，會使理論知識和制作DNA雙螺旋結構模型的實驗割裂，讓學生感覺科學知識比較枯燥，也無法感受“做中學”的快樂，不利于培養(yǎng)學生的科學思維素養(yǎng)。為此，筆者改變了教學策略：把DNA雙螺旋結構模型制作的實驗進行分解，將制作DNA雙螺旋結構模型與跟隨科學家的研究歷程緊密結合，以幫助學生在感受科學家科學探究的情境中，加深對DNA結構的了解，同時體會沃森等科學家如何在合作中不斷捕獲和分析信息，學習他們嚴謹?shù)乃季S品質以及持之以恒的科學研究精神。此外，學生在探究過程中產生的很多想法與科學家不謀而合，大大激發(fā)了學生的研究興趣和自信心，從而有助于在課堂教學中落實學科核心素養(yǎng)。

二、課前準備——學具的準備

為了保證課堂上有更充分的時間用于討論和交流，教師需要在課前集中指導合作學習的小組長按以下要求準備學具：每個4人學習小組需要準備支架1個、訂書機1個、訂書釘1盒（訂書釘用來連接堿基和脫氧核糖代表氫鍵以及脫氧核糖和磷酸的連接），小剪刀1把，透明膠布1卷。

1.制作支架

用4毫米直徑的硬鐵絲做2個長26cm寬8cm的方框（用作兩端固定以及方便拿取旋轉展示的支架），在每個方框一側的兩端各固定一條長0.8m的細鐵絲或細線（注意柔軟且有韌性，便于做好模型后的扭轉和固定）。

2.裁剪代表磷酸、脫氧核糖和4種堿基的紙片

每個學習小組需要裁剪磷酸基團和脫氧核糖各24個， A、T、G、C 四種堿基共48個。教師為每個小組長準備3張較厚的A4紙。具體裁剪方法按如下步驟進行。

（1）把每張A4紙縱向對折1次，橫向對折3次，這樣每張A4紙就被分成16等份，每份規(guī)格是10.5cm*3.7125cm。

（2）在每等份左右兩邊按照圖1標上字母或數(shù)字，AT和GC合計標24份，磷酸和脫氧核糖標24份。

（3）沿著對折痕跡把3張A4紙分別裁開。

（4）把標有GC的紙條在字母G和C之間按圖1裁成圓弧形，把標有AT的紙條在字母A和T之間裁成V形，把磷酸裁成圓形，把脫氧核糖裁成五邊形。

三、教學過程

1.創(chuàng)設問題情境，激發(fā)探究欲望

利用學生對“探案”和新名詞“DNA指紋”的興趣，呈現(xiàn)DNA指紋圖片，快速轉到本節(jié)的課題：根據(jù)DNA指紋確認身份與DNA的特殊結構有關。

2.建構DNA結構的物理模型

（1）建構脫氧核苷酸模型。從復習必修1有關DNA的知識過渡到新知識的學習，教師提出任務：請每位學生用桌面上提供的合適的材料建構1個DNA的基本組成單位，可提示學生訂書釘用來連接堿基、脫氧核糖和磷酸之間的連接。建構完成后用實物投影儀展示學生作品，引導學生進行評價。然后教師用PPT呈現(xiàn)圖2，總結磷酸基團、脫氧核糖和含N堿基3種分子的正確連接方式。最后要求學生每人完成5個脫氧核苷酸模型的制作，為建構脫氧核苷酸鏈模型做準備。

（2）建構脫氧核苷酸鏈模型。引導學生將自己制作的脫氧核苷酸連成長鏈，派代表進行展示，并用語言描述脫氧核苷酸之間是如何連接的，同組組員可補充說明，其他組學生評價，然后教師點評，強調相應知識點。

（3）嘗試建構DNA的平面結構模型。教師引導學生回顧DNA的發(fā)現(xiàn)歷史，提出“由脫氧核苷酸長鏈組成的DNA要具有怎樣的結構才能穩(wěn)定存在并且遺傳給后代”的問題。學生閱讀課本了解“DNA結構模型的建構”歷程后，小組討論，最后由教師總結：沃森和克里克以威爾金斯和富蘭克林提供的DNA的衍射圖譜和相關數(shù)據(jù)為基礎，推斷出DNA呈螺旋結構。但此時又引出另一個問題：DNA究竟是由幾條鏈組成的螺旋結構？科學家們提出了不同猜想，沃森和克里克建構了DNA的雙鏈結構模型。此時請學生分組建構DNA雙鏈結構模型，并進行組內討論、實物展示、小組代表解說、其他組員提出異議，然后教師引導：通過建構，我們知道兩條鏈的連接有多種可能性，哪一種連接方式更符合實際情況呢？教師用PPT呈現(xiàn)：1952年春天奧地利的著名生物化學家查哥夫提供的信息：A的量等于T的量，G的量等于C的量。并進一步引導學生：根據(jù)以上信息你獲得了什么啟發(fā)？要求學生組內討論并修正本組模型。

（4）建構DNA的立體結構模型。先讓學生用訂書釘按照堿基互補配對原則建構含20個堿基對的DNA平面結構模型，然后提醒學生用透明膠布把磷酸分子固定到鐵絲上，雙手提起方框，輕輕地拉直雙鏈后旋轉一下即得到DNA雙螺旋結構立體模型。

本環(huán)節(jié)以著名教育家維果茨基提出的“最近發(fā)展區(qū)”理論為依據(jù)，沿著“復習已學知識建構脫氧核苷酸模型和脫氧核苷酸鏈模型—發(fā)現(xiàn)問題—補充資料—建構DNA的平面結構模型—形成DNA的立體結構模型”的路線推進，分步實現(xiàn)模型的建構過程，不僅讓學生通過“做中學”深入理解DNA結構的知識，還能讓學生體驗科學家探究DNA結構的過程，培養(yǎng)善于捕獲、分析信息的思維品質及持之以恒的科研精神，激發(fā)學生的科研興趣，提升勇于擔當?shù)钠焚|。學生通過DNA的結構物理模型的建構、評價與修正，建立了對DNA 結構的認識，形成了生物體結構與功能相適應的觀點，同時也提升和發(fā)展了建構模型、邏輯思維與科學表達的能力。

3.建構DNA結構的數(shù)學模型

通過引導學生分析DNA各組分的數(shù)量關系構建相關數(shù)學模型有助于學生理解DNA的結構特性，強化“結構是功能的基礎”的生物學基本觀點。此環(huán)節(jié)請學生觀察各自構建好的DNA立體結構模型并填空。如下面兩題。

第1題：1個DNA=（2）條脫氧核糖核苷酸鏈=（2）個游離磷酸基團;與一個磷酸基團相連接的有（兩個或一個）脫氧核糖，與脫氧核糖連接的有（兩個或一個）磷酸基團。

第2題：若一個DNA中有n個堿基對，則堿基對的排列方式有（4n）種。

設計第1題的目的是引導學生歸納出DNA結構具有穩(wěn)定性的原因，幫助學生理解DNA結構具有穩(wěn)定性與DNA能夠承擔遺傳物質的功能相適應。設計第2題的目的是引導學生推出 DNA 結構具有多樣性和特異性，為解釋自然界生物的多樣性和特異性打基礎。

4.建構DNA結構的概念模型

高中生物學科知識的學習，實質上是引導學生習得一個完整而系統(tǒng)的核心概念體系的過程[3]。

（1）利用模型歸納主要特點。教師組織學生通過對比各自制作的作品，在獨立思考和相互補充后歸納出DNA雙螺旋結構的主要特點。教師引導學生進一步觀察各自建構的DNA立體結構模型中脫氧核糖上標注的數(shù)字，完善DNA雙螺旋結構的主要特點，由學生得出“DNA兩條鏈是反向平行排列”的結論。教師進一步追問導入問題：觀察各組建構的DNA立體結構模型，你能解釋DNA指紋為什么可以用于識別身份嗎？學生得出答案：不同組建構的DNA立體結構模型的堿基排列順序不同，每個DNA都帶有獨特的遺傳信息。

（2）填寫概念圖進行知識總結。向學生呈現(xiàn)圖3所示的概念圖，由學生填寫括號內的文字，幫助學生構建本節(jié)所學內容的知識網絡;同時利用圖3內容引導學生歸納出記憶竅門“54321”，即5種組成元素：C、H、O、N、P;4種堿基A、T、G、C和4種脫氧核苷酸;3種基本組成物質：堿基、脫氧核糖、磷酸;2條反向脫氧核苷酸鏈組成1個DNA。

四、教后反思

通過團隊學習、主動學習和參與式學習的方式，學生可以主動參與制作DNA雙螺旋結構模型，并追蹤了科學家的研究歷程，不斷提高科學思維能力，培養(yǎng)不畏困難、持之以恒的科研精神。

參考文獻

[1]劉恩山，曹保義主編.普通高中生物學課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2]趙萍萍，劉恩山.生物學建模教學研究進展及啟示[J].生物學通報，2015（1）：19-23.

[3]鄭春和.高中生物學的概念與命題[J].課程·教材·教法，2011（6）：91.

（責任編輯? ?姚力寧）